放射性废物管理/辐射相互作用基础

为了更好地理解放射性废物，你需要了解四种基本粒子。这四种粒子是

• α粒子
• β粒子
• γ射线
• 中子

此外，还有两种所有辐射的性质需要定义：半衰期和放射性。

α粒子（以希腊字母中的第一个字母命名并表示为α，由两个质子和两个中子结合在一起形成的粒子，与氦核相同，在α衰变过程中产生。α粒子可以写成$He^{2+}$，${}_{2}^{4}He^{^{2}+}$或${}_{2}^{4}He$（因为离子有可能从环境中获得电子。此外，电子在核化学中并不重要）。并非所有氦核都被所有作者视为α粒子。与β粒子一样，粒子名称在一定程度上暗示了它的产生过程和能量。

α粒子与氦核一样，净自旋为零，并且（由于它们在核衰变中产生的机制），经典上具有约5 MeV的总能量。它们是高度电离的粒子辐射形式，并且（在放射性α衰变时）具有较低的穿透深度。它们可以被几厘米的空气或皮肤阻挡。然而，如前所述，构成宇宙射线 10-12% 的氦核通常比放射性衰变产生的氦核具有更高的能量，因此能够高度穿透，能够穿过人体，并能够穿透许多米厚的致密固体屏蔽，这取决于它们的能量。

α衰变过程

来源

当一个原子发射出一个α粒子时，由于失去了α粒子中的四个核子，原子的质量数减少了四。原子的原子序数减少了两个，因为失去了两个质子——原子变成了一个新的元素。例如，铀变成了钍，或者镭由于α衰变变成了氡气。

α粒子通常由所有较大的放射性原子核发射，例如铀、钍、锕和镭，以及超铀元素。与其他类型的衰变不同，作为一种过程，α衰变必须具有可以支持它的最小尺寸原子核。迄今为止发现能够发射α粒子的最小原子核是碲（元素 52）的最轻核素，质量数介于 106 和 110 之间。发射α粒子的过程有时会使原子核处于激发态，通过发射γ射线去除多余的能量。

与β衰变形成对比的是，α衰变背后的基本相互作用是电磁力和核力的平衡。α衰变是由α粒子与核的剩余部分之间的库仑排斥力引起的，两者都带正电荷，但这种排斥力受到核力的抑制。

能量和吸收

发射的α粒子的能量轻微地取决于发射过程的半衰期，半衰期变化很多个数量级会导致能量变化小于 50%（参见α衰变）。发射的α粒子的能量各不相同，较大的原子核会发射更高能量的α粒子，但大多数α粒子的能量介于 3 到 7 MeV（兆电子伏特）之间，分别对应于极长到极短的α发射核素的半衰期。

对于单个粒子来说，这是一个相当大的能量，但它们的高质量意味着α粒子的速度比其他常见类型的辐射（β粒子、中子等）低（典型的动能为 5 MeV，速度为 15,000 km/s，即光速的 5%）。γ射线是一种电磁辐射，以光速传播。由于α粒子带电且质量大，因此很容易被物质吸收，并且它们在空气中只能传播几厘米。它们可以被纸巾或人体表层皮肤（约 40 微米，相当于几层细胞的深度）吸收。

生物效应

由于阿尔法粒子吸收范围短，除非来源被摄入或吸入，否则它们通常对生命没有危险，在这种情况下，它们会变得极其危险。由于这种高质量和强吸收，如果阿尔法发射放射性核素确实进入人体（如果放射性物质已被吸入、摄入或注射，就像 1950 年代之前使用钍射线进行高质量 X 光图像一样），阿尔法辐射是最具破坏性的电离辐射形式。它是电离最强的，如果剂量足够大，会导致辐射中毒的任何或所有症状。据估计，阿尔法粒子造成的染色体损伤是等量其他辐射造成的染色体损伤的 100 倍。强大的阿尔法发射体钋-210（一毫克 ²¹⁰Po 每秒发射的阿尔法粒子数量与 4.215 克 ²²⁶Ra 相同）被怀疑在与吸烟有关的肺癌和膀胱癌中发挥作用

阿尔法粒子本身不仅会造成损害，而且在阿尔法发射后，反冲原子核也会造成大约相同的电离，这种能量反过来可能会对遗传物质特别有害，因为许多可溶性超铀元素发出阿尔法粒子的正阳离子在化学上被吸引到 DNA 的净负电荷，导致反冲原子核与 DNA 非常接近。

发现和使用的历史

阿尔法辐射由氦-4 核组成，很容易被一张纸片阻止。由电子组成的贝塔辐射，被铝板阻止。伽马辐射最终会在穿透致密物质时被吸收。铅因其密度而善于吸收伽马辐射。

在 1899 年和 1900 年，物理学家欧内斯特·卢瑟福和保罗·维拉德根据对物体的穿透能力和引起电离的能力，将辐射分为三种类型：阿尔法、贝塔和伽马。阿尔法射线由卢瑟福定义，因为它们对普通物体的穿透力最低。

阿尔法粒子被磁场偏转

卢瑟福的工作还包括测量阿尔法粒子质量与其电荷之比，这使他能够假设阿尔法粒子是氦核（当时氘核具有相同的质量电荷比，尚不清楚）。 1907 年，欧内斯特·卢瑟福和托马斯·罗伊德斯最终证明阿尔法粒子确实是氦核。为此，他们让阿尔法粒子穿透一个抽空管子的非常薄的玻璃壁，从而捕获了管子内大量假设的氦核。然后，他们在管子内引起电火花，这提供了电子流，这些电子被核吸收以形成气体的中性原子。随后的对所得气体光谱的研究表明，阿尔法粒子确实是假设的氦核。

由于阿尔法粒子自然存在，但可能具有足够高的能量参与核反应，因此对其的研究为早期对核物理的了解做出了很大贡献。卢瑟福使用溴化镭发射的阿尔法粒子推断 J.J. 汤姆森的原子模型是错误的。在盖革-马斯登实验中，卢瑟福的同学汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登进行了金箔实验，建立了一束窄的阿尔法粒子束，穿过非常薄的金箔（几百个原子厚）。阿尔法粒子通过硫化锌屏检测，硫化锌屏在阿尔法粒子碰撞时会发出闪光。卢瑟福假设，如果原子模型是正确的，那么带正电荷的阿尔法粒子将被预测的离散正电荷轻微偏转，即使有的话。

结果发现，一些阿尔法粒子被偏转的角度远大于预期（这是由卢瑟福提出的检查建议），甚至有些粒子几乎直接反弹。尽管大多数阿尔法粒子像预期的那样直线穿过，但卢瑟福评论说，少数被偏转的粒子就像用 15 英寸炮弹射击薄纸一样，然后反弹回来，再次假设“枣糕”理论是正确的。结果表明，原子的正电荷集中在中心的一个小区域，使正电荷足够密集，足以偏转任何靠近后来被称为原子核的带正电荷的阿尔法粒子。

注意：在此发现之前，人们不知道阿尔法粒子本身就是原子核，也不知道质子或中子的存在。在这一发现之后，J.J. 汤姆森的“枣糕”模型被抛弃，而卢瑟福的实验导致了玻尔模型（以尼尔斯·玻尔命名）以及后来的原子现代波动力学模型。

典型阿尔法粒子通过放射性衰变发射的能量损失（布拉格曲线）在空气中。

在核物理学中，贝塔衰变是一种放射性衰变，其中会发射出一个贝塔粒子（一个电子或一个正电子）。在电子发射的情况下，称为贝塔负（e⁻），而在正电子发射的情况下称为贝塔正（e⁺）。发射的贝塔粒子具有连续的动能谱，范围从 0 到最大可用能量（Q），这取决于参与衰变的母体和子体核状态。典型的Q 约为 1 MeV，但范围可以从几 keV 到几十 MeV。就像电子的静止质量能量当量为 511 keV 一样，能量最高的贝塔粒子是超相对论性的，速度非常接近光速。

在基本层面上（如以下费曼图所示），这是由于通过发射 W^- 玻色子将下夸克转换为上夸克；W^- 玻色子随后衰变为电子和一个电子反中微子。

因此，与衰变不同，衰变不能孤立地发生，因为它需要能量，中子的质量大于质子的质量。衰变只能发生在核内部，当母体核的结合能值小于子体核的结合能值时。这些能量之间的差异进入将质子转换为中子、正电子和中微子的反应，以及这些粒子的动能。

电子俘获（K 俘获）

在所有允许衰变能量上（并且质子是具有电子壳层的原子核的一部分）的情况下，它伴随着电子俘获过程，此时原子电子被原子核俘获，并发射出一个中微子

能量 + p + e- → n + v_e

但是，如果初始状态和最终状态之间的能量差小于 2m_ec²，则衰变在能量上是不可能的，电子俘获是唯一的衰变模式。

这种衰变也称为 K 俘获，因为原子中最“内层”的电子属于原子的电子构型的 K 层，并且它与原子核相互作用的概率最高。

核嬗变

如果质子和中子是原子核的一部分，这些衰变过程会将一种化学元素嬗变为另一种化学元素。例如

贝塔衰变不会改变原子核中核子数A，只会改变其电荷Z。因此，可以引入所有具有相同A 的核素的集合；这些同量异位素可以通过贝塔衰变相互转化。其中，几个核素（至少一个）是贝塔稳定的，因为它们表现出质量盈余的局部最小值：如果这样一个原子核具有 (A, Z) 数，相邻原子核 (A, Z−1) 和 (A, Z+1) 具有更高的质量盈余，并且可以贝塔衰变为 (A, Z)，但反之则不行。对于所有奇数质量数A，全局最小值也是唯一的局部最小值。对于偶数A，实验上已知最多三个不同的贝塔稳定同量异位素；例如，⁹⁶Zr、⁹⁶Mo 和 ⁹⁶Ru 都是贝塔稳定的，尽管第一个可以进行非常罕见的双贝塔衰变（见下文）。总共有大约 355 种已知的贝塔衰变稳定核素。

贝塔稳定的原子核可能会经历其他类型的放射性衰变（例如，阿尔法衰变）。在自然界中，大多数同位素是贝塔稳定的，但有一些例外，它们的半衰期非常长，自核合成以来，它们还没有足够的时间衰变。一个例子是 ⁴⁰K，它经历所有三种类型的贝塔衰变（以及电子俘获），半衰期为 1.277×10⁹ 年。

历史

从历史上看，贝塔衰变的研究提供了第一个关于中微子的物理证据。1911 年，莉泽·迈特纳和奥托·哈恩进行了一项实验，表明由贝塔衰变发射的电子的能量具有连续谱而不是离散谱。这显然与能量守恒定律相矛盾，因为它似乎在贝塔衰变过程中能量消失了。第二个问题是氮-14 原子的自旋为 1，这与卢瑟福的预测值 1/2 相矛盾。

在 1920-1927 年，查尔斯·德鲁蒙德·埃利斯（以及詹姆斯·查德威克及其同事）明确地确立了贝塔衰变谱实际上是连续的，消除了所有争议。

在 1930 年，沃尔夫冈·泡利在一封著名的信中提出，除了电子和质子之外，原子还包含一个极其轻的 中性粒子，他称之为中子。他认为这种“中子”也会在β衰变中发射出来，只是还没有被观测到。1931 年，恩里科·费米将泡利的“中子”改名为中微子，并在 1934 年发表了关于β衰变的非常成功的模型，在这个模型中产生了中微子。

原子核发射伽马射线 (γ) 的示意图

伽马辐射，也称为伽马射线 (γ)，是高频（波长非常短）的电磁辐射。它们是由亚原子粒子相互作用产生的，例如电子-正电子湮灭、中性π介子衰变、放射性衰变、核聚变、核裂变或天体物理过程中的逆康普顿散射。伽马射线通常频率高于 10¹⁹ Hz，因此能量高于 100 keV，波长小于 10 皮米，通常小于原子大小。来自放射性衰变的伽马射线通常能量为几百 keV，能量几乎总小于 10 MeV。

由于它们是电离辐射的一种形式，因此伽马射线被生物组织吸收时会造成严重的伤害，因此对健康有害。

1900 年，法国化学家和物理学家保罗·维拉尔在研究镭发射的辐射时发现了伽马辐射。阿尔法和贝塔“射线”已被欧内斯特·卢瑟福于 1899 年分离并命名，1903 年，卢瑟福将维拉尔发现的这种独特的新的辐射命名为“伽马射线”。

过去，X 射线和伽马射线的区别是基于能量（或等效的频率或波长），伽马射线被认为是 X 射线的高能版本。然而，现代由线性加速器（“直线加速器”）产生的用于癌症放射治疗的高能（兆伏）X 射线通常比放射性伽马衰变产生的伽马射线具有更高的能量。相反，在诊断核医学中使用最常见的伽马射线发射同位素之一是锝-99m，它产生的伽马辐射能量约为诊断 X 射线机的能量（140 KeV），并且明显低于来自直线加速器的治疗光子的能量。由于能量范围的广泛重叠，这两种类型的电磁辐射现在通常由它们的起源来定义：X 射线由电子发射（无论是在原子核外的轨道中，还是在加速以产生轫致辐射时），而伽马射线由原子核或其他粒子衰变或湮灭事件发射。核反应产生的光子没有能量下限，因此由这些过程产生的紫外线甚至更低能量的光子也被定义为“伽马射线”。

在某些领域，如天文学，伽马射线和 X 射线有时仍然根据能量来定义，或交替使用，因为产生它们的机制可能不确定。

康普顿伽马射线天文台看到的月球，在 20 MeV 以上的伽马射线中。

这些是由宇宙射线轰击其表面产生的。太阳没有类似的高原子序数表面作为宇宙射线的靶标，因此在这些能量下根本无法看到，因为这些能量过高，无法从初级核反应（如太阳核聚变）中释放出来。[2]

计量单位和照射

伽马射线电离能力的度量称为照射

• 库仑每千克 (C/kg) 是电离辐射照射的 SI 单位，是指在 1 千克物质中产生 1 库仑的每种极性电荷所需的辐射量。
• 伦琴 (R) 是一个过时的传统照射单位，它代表产生 1 静电单位的每种极性电荷在 1 立方厘米干空气中所需的辐射量。1 伦琴 = 2.58×10^-4 C/kg

然而，伽马射线和其他电离辐射对生物组织的影响与其沉积的能量量更为密切相关，而不是电荷量。这被称为吸收剂量

• 戈瑞 (Gy)，其单位为 (J/kg)，是吸收剂量的 SI 单位，是指在 1 千克任何类型的物质中沉积 1 焦耳能量所需的辐射量。
• 拉德 (rad) 是相应的传统单位（已过时），等于每公斤沉积 0.01 焦耳。100 拉德 = 1 戈瑞。

当量剂量是衡量辐射对人体组织的生物学效应的指标。对于伽马射线，它等于吸收剂量。

• 西弗 (Sv) 是当量剂量的 SI 单位，对于伽马射线，它在数值上等于戈瑞 (Gy)。
• 雷姆 (rem) 是传统的当量剂量单位。对于伽马射线，它等于拉德，或者每公斤沉积 0.01 焦耳能量。1 Sv = 100 雷姆。

特性

屏蔽

屏蔽伽马射线需要大量的质量。它们更容易被原子序数高、密度大的材料吸收，尽管与伽马射线路径上的总质量相比，这两种效应都不重要。出于这个原因，铅屏蔽作为伽马屏蔽比等质量的另一种屏蔽材料（如铝、混凝土或土壤）只略好（20-30%）；铅的主要优势是其密度。

伽马射线的能量越高，所需的屏蔽就越厚。屏蔽伽马射线的材料通常通过降低伽马射线强度一半所需的厚度来衡量（半值层或 HVL）。例如，需要 1 cm（0.4″）铅才能使其强度降低 50% 的伽马射线，其强度也会被 4.1 cm 的花岗岩、6 厘米（2½″）的混凝土或 9 厘米（3½″）的密实土壤降低一半。然而，这么多混凝土或土壤的质量只比这么多铅的质量大 20-30%。贫铀用于便携式伽马射线源的屏蔽，但同样，与铅相比，重量节省不多，主要作用是减少屏蔽体积。

物质相互作用

铝（原子序数 13）对伽马射线的总吸收系数，绘制成伽马能量的函数，以及三种效应的贡献。在大多数能量区域，康普顿效应占主导地位。

铅（原子序数 82）对伽马射线的总吸收系数，绘制成伽马能量的函数，以及三种效应的贡献。在这里，光电效应在低能量下占主导地位。在 5 MeV 以上，正负电子对生成开始占主导地位。

当伽马射线穿过物质时，在薄层中吸收的概率与该层的厚度成正比。这会导致强度随厚度呈指数衰减。指数吸收仅适用于狭窄的伽马射线束。如果一束宽的伽马射线束穿过一块厚的混凝土板，来自侧面的散射会降低吸收率。

$I(d)=I_{0}\cdot e^{-\mu d}.\,$

这里 µ = ns 是吸收系数，以 cm⁻¹ 为单位，d 是以 cm 为单位的材料厚度。

在穿过物质时，伽马辐射通过三个主要过程电离：光电效应、康普顿散射和正负电子对生成。

• 光电效应：它描述了伽马光子与原子电子相互作用并将其能量转移给该电子，从而将该电子从原子中弹射出来的过程。由此产生的光电子的动能等于入射伽马光子的能量减去电子的结合能。光电效应是能量低于 50 keV（千电子伏）的 X 射线和伽马射线光子的主要能量传递机制，但在更高能量下，它就不那么重要了。
• 康普顿散射：这是一种相互作用，其中入射伽马光子将足够的能量传递给原子电子，导致电子被弹射出来，原始光子剩余的能量以一个新的、能量更低的伽马光子的形式发射出来，该伽马光子的发射方向不同于入射伽马光子的方向。康普顿散射的概率随着光子能量的增加而降低。康普顿散射被认为是 100 keV 到 10 MeV 的中间能量范围内伽马射线的主要吸收机制。康普顿散射与吸收材料的原子序数几乎无关，这就是为什么像铅这样的高密度金属在重量方面与密度较低的材料相比，只是稍微好一点的屏蔽材料的原因。
• 正负电子对产生：当伽马射线能量超过 1.02 MeV 时，就会发生这种现象，并且在能量超过约 5 MeV 时，它会成为一种重要的吸收机制（参见右边的铅的示意图）。通过与原子核的电场相互作用，入射光子的能量转化为一个电子-正电子对的质量。任何超过两个粒子等效静止质量（1.02 MeV）的伽马能量都会表现为对和反冲核的动能。在正电子的射程结束时，它会与一个自由电子结合。然后，这两个粒子的全部质量转化为两个至少各为 0.51 MeV 能量的伽马光子（或根据湮灭粒子的动能更高）。

在这三个过程中产生的次级电子（和/或正电子）通常具有足够的能量，可以自己产生大量的电离。

光相互作用

来自遥远类星体的能量极高（80 到 500 GeV）的伽马射线被用来估计宇宙中星系际背景光：最高能量的射线更容易与背景光光子相互作用，因此可以通过分析入射伽马射线光谱来估计它们的密度。

伽马射线产生

伽马射线通常与其他形式的辐射（如α或β）一起产生。当一个原子核发射一个α或β粒子时，子原子核有时会处于激发态。然后，它可以通过发射伽马射线跃迁到较低的能级，这与原子电子可以通过发射红外、可见或紫外光跃迁到较低的能级的方式非常相似。

⁶⁰Co的衰变图

伽马射线、X射线、可见光和无线电波都是电磁辐射的形式。唯一的区别是光子的频率，因此也是能量。伽马射线是能量最高的。以下是一个伽马射线产生的例子。

另一个例子是形成 {; 这种α衰变伴随着伽马发射。在某些情况下，原子核（子核）的伽马发射光谱非常简单（例如，而在其他情况下，例如和，伽马发射光谱很复杂，表明可以存在一系列核能级。α谱可以具有具有不同能量的一系列不同峰值这一事实强化了可以存在几个核能级的想法。

CGRO航天器上的EGRET仪器看到的整个天空在 100 MeV 或更大伽马射线中的图像。银河系平面内的亮斑是脉冲星，而平面上下方的亮斑被认为是类星体。

由于β衰变伴随着中微子的发射，中微子也带走了能量，因此β谱没有尖锐的线，而是一个宽峰。因此，仅从β衰变无法探测到原子核中发现的不同能级。

在光谱学中，众所周知，发射光的实体也可以在相同波长（光子能量）处吸收光。例如，钠火焰可以发射黄光，也可以吸收钠蒸气灯的黄光。在伽马射线的情况下，这可以在穆斯堡尔谱学中看到。在这里，对原子核反冲损失的能量进行了修正，并且可以获得通过共振吸收伽马射线的精确条件。

这类似于光谱学中观察到的弗兰克-康登效应。

健康影响

所有电离辐射在细胞水平上都会造成类似的损伤，但由于α粒子射线和β粒子射线穿透力相对较弱，因此对它们的外部照射只会造成局部损伤，例如皮肤辐射灼伤。伽马射线和中子穿透力更强，会对整个身体造成弥漫性损伤（例如辐射病、癌症发病率增加），而不是灼伤。外部辐射照射也应该与内部照射区别开来，内部照射是由于摄入或吸入放射性物质造成的，根据物质的化学性质，可以产生弥漫性和局部的内部损伤。伽马辐射对生物最具破坏性的形式发生在伽马射线窗口，即 3 到 10 MeV 之间，而更高能量的伽马射线危害较小，因为身体对它们相对透明。参见钴-60。

用途

VACIS

这种特性意味着伽马辐射通常用于杀死生物体，这一过程被称为照射。该方法的应用包括对医疗设备进行消毒（作为高压灭菌器或化学方法的替代方法）、从许多食品中去除导致腐烂的细菌或防止水果和蔬菜发芽以保持新鲜度和风味。

伽马射线在电磁波谱中具有最短的波长和最高的能量。这些波是由放射性原子和核爆炸产生的。伽马射线可以杀死活细胞，医学利用这一事实，用伽马射线杀死癌细胞。

伽马射线从宇宙中遥远的距离传播到我们这里，最终被地球大气层吸收。不同波长的光穿透地球大气的深度不同。康普顿天文台等高空气球和卫星上的仪器为我们提供了唯一观测伽马射线天空的机会。

由于它们具有穿透组织的特性，伽马射线/X射线在医学中有广泛的用途，例如在 CT 扫描和放射治疗中。然而，作为一种电离辐射，它们有能力引起分子变化，因此当 DNA 受影响时，它们有可能导致癌症。分子变化也可以用来改变半宝石的特性，并经常用来将白色托帕石变成蓝色托帕石。

尽管伽马射线具有致癌特性，但它们也被用来治疗某些类型的癌症。在被称为伽马刀手术的程序中，多束集中的伽马射线束被引导到肿瘤上，以杀死癌细胞。从不同的角度对光束进行瞄准，以便将辐射集中在肿瘤上，同时最大限度地减少对周围组织的损伤。（作为辐射起源过程导致其名称的说明，一种使用来自直线加速器的光子而不是钴伽马衰变的类似技术被称为“Cyberknife”。）

伽马射线也被用于核医学的诊断目的。使用了几种伽马射线发射放射性同位素，其中之一是锝-99m。当它被给药给患者时，可以使用伽马相机通过检测发射的伽马辐射形成放射性同位素分布的图像。这种技术可以用来诊断多种疾病（例如癌症扩散到骨骼）。

在美国，伽马射线探测器开始被用作集装箱安全计划 (CSI) 的一部分。这些价值 500 万美元的机器被宣传为每小时可以扫描 30 个集装箱。这种技术的目的是在集装箱进入美国港口之前对其进行筛选。

身体反应

在伽马射线照射和 DNA 双链断裂后，细胞可以修复受损的遗传物质，直到其修复能力的极限。然而，Rothkamm 和 Lobrich 的一项研究表明，修复过程在高剂量照射后运作良好，但在低剂量照射的情况下要慢得多。

风险评估

英国的自然户外照射范围从 0.1 到 0.2 cSv/年，美国每个居民每年接收的平均辐射总量为 0.36 cSv。由于光电效应，人体中高原子序数材料的小颗粒周围的天然伽马辐射剂量略有增加>

相比之下，胸部X光检查的辐射剂量只是每年自然发生的背景辐射剂量的一小部分，而胃镜检查的剂量最多为背部皮肤的 5 cSv。

对于急性全身等效剂量，100 cSv 会引起轻微的血液变化；200-350 cSv 会导致恶心、脱发、出血，在没有医疗处理的情况下，会造成相当一部分人（10%-35%）死亡；500 cSv 被认为是急性辐射暴露的 LD₅₀（对 50% 受照人群的致死剂量），即使是标准医疗处理也不能幸免；超过 500 cSv 会增加死亡的可能性；最终，超过 750-1000 cSv，即使是骨髓移植等非常规治疗也不能阻止受照个体的死亡（参见 辐射中毒 ）。

对于低剂量暴露，例如核工作者，他们平均每年接受 1.9 cSv 的辐射剂量， 死于癌症（不包括白血病）的风险增加 2%。对于 10 cSv 的剂量，这种风险增加为 10%。相比之下，广岛和长崎原子弹爆炸幸存者的癌症死亡风险增加了 32%。

中子 是一种亚原子粒子，没有净电荷，质量略大于质子。它们通常存在于原子核中。大多数原子的原子核由质子和中子组成，因此统称为核子。原子核中的质子数是原子序数，它定义了原子形成的元素类型。中子数是中子数，它决定了元素的同位素。例如，丰富的碳-12 同位素有 6 个质子和 6 个中子，而非常稀有的放射性碳-14 同位素有 6 个质子和 8 个中子。

虽然稳定的原子核中结合的中子是稳定的，但自由中子是不稳定的；它们会发生β衰变，平均寿命略小于 15 分钟 (885.7±0.8 s）。 自由中子产生于核裂变和核聚变。专门的中子源，如研究堆和散裂源，会产生用于辐照和中子散射实验的自由中子。尽管中子不是化学元素，但有时会将自由中子包含在核素表中。 然后，它被认为具有零原子序数和一个质量数，有时被称为中子。

发现

1931 年，德国的瓦尔特·博特和赫伯特·贝克发现，如果来自钋的非常高能的α粒子落在某些轻元素上，特别是铍、硼或锂，就会产生一种异常穿透的辐射。起初，这种辐射被认为是γ辐射，尽管它比任何已知的γ射线都更具穿透性，并且实验结果的细节在这种情况下很难解释。下一个重要贡献是 1932 年由伊雷娜·约里奥-居里和弗雷德里克·约里奥在巴黎报告的。他们表明，如果这种未知辐射落在石蜡或任何其他含氢化合物上，它会弹射出非常高能的质子。这本身并不与假设的γ射线性质的新辐射相矛盾，但数据的详细定量分析越来越难以与这种假设相协调。

1932 年，詹姆斯·查德威克在剑桥大学进行了一系列实验，表明γ射线假设是站不住脚的。他认为新的辐射是由近似于质子的质量的无电荷粒子组成的，并且他进行了一系列实验来验证他的假设。

中子的发现解释了涉及氮-14 原子核自旋的一个谜题，氮-14 原子核的自旋已通过实验测量为 1 h。众所周知，原子核通常具有大约一半的正电荷，就像它们完全由质子组成一样，并且在现有的模型中，这通常通过假设核中也包含一些“核电子”来抵消多余的电荷来解释。因此，氮-14 将由 14 个质子和 7 个电子组成，使其电荷为 +7，但质量为 14 个原子质量单位。然而，也已知质子和电子都具有 ¹⁄₂ h 的固有自旋，并且无法将 21 个粒子排列在一个组中，或排列在 7 和 14 个组中，以获得 1 h 的自旋。所有可能的配对都产生了 ¹⁄₂ h 的净自旋。然而，当建议氮-14 由 3 对质子和中子组成时，还有一个未配对的中子和质子，每个都贡献 ¹⁄₂ h 的自旋，方向相同，总自旋为 1 h，该模型变得可行。很快，核中子被用来以自然方式解释许多不同核素中自旋差异的原因，并且作为原子核基本结构单元的中子被接受。

固有特性

稳定性和β衰变

中子通过中间重 W 玻色子β衰变为质子、电子和反电子中微子的费曼图

根据粒子物理的标准模型，因为中子由三个夸克组成，所以唯一可能的不会改变重子数的衰变模式是其中一个夸克通过弱相互作用改变味。中子由两个电荷为 -¹⁄₃ e 的下夸克和一个电荷为 +²⁄₃ e 的上夸克组成，并且其中一个下夸克衰变为一个更轻的上夸克可以通过发射一个 W 玻色子来实现。通过这种方式，中子衰变为一个质子（包含一个下夸克和两个上夸克）、一个电子和一个反电子中微子。

在原子核外，自由中子是不稳定的，平均寿命为 885.7±0.8 s（大约 14 分钟 46 秒）；因此，该过程的半衰期（与平均寿命相差一个 自然对数 因子）为 613.9±0.8 s（大约 10 分钟 14 秒）。 自由中子通过发射电子和反电子中微子而衰变，成为质子，这一过程称为β衰变

不稳定原子核中的中子也可以以这种方式衰变。但是，在原子核内部，质子也可以通过反β衰变转变为中子。这种转变是通过发射反电子（也称为正电子）和中微子来实现的

质子在原子核内部转变为中子也可以通过电子俘获来实现

p⁺ + e → n + ν_e

原子核中含有过量中子的中子捕获正电子也是可能的，但这会受到阻碍，因为正电子会被原子核排斥，并且在它们遇到电子时会迅速湮灭。

当结合在原子核内部时，单个中子β衰变的不稳定性与如果额外的质子要参与与原子核中已经存在的其他质子之间的排斥相互作用，原子核整体会获得的不稳定性相平衡。因此，尽管自由中子是不稳定的，但结合的中子不一定是这样。同样的推理解释了为什么质子在空旷空间中是稳定的，但在结合在原子核内部时会转变为中子。

电偶极矩

粒子物理的标准模型预测中子内部正负电荷存在微小的分离，导致产生永久电偶极矩。然而，预测值远低于目前实验的灵敏度。从粒子物理中几个尚未解决的谜题可以明显看出，标准模型并不是所有粒子及其相互作用的最终和完整描述。超越标准模型的新理论通常会导致对中子电偶极矩的预测值更大。目前，至少有四项实验试图首次测量有限的中子电偶极矩。

磁矩

中子的磁矩不为零，这与电中性粒子不相符。这表明中子是一个复合粒子。

反中子

反中子是中子的反粒子。它于1956年由布鲁斯·科克发现，比反质子发现晚一年。CPT对称性对粒子与反粒子的相对性质施加了严格的约束，因此研究反中子可以对CPT对称性进行严格的检验。中子与反中子质量的相对差异为9±5×10⁻⁵。由于该差异仅比零大两个标准偏差，因此这并没有提供任何令人信服的CPT违反证据。

中子化合物

二中子和四中子

由法国国家科学研究中心核物理实验室弗朗西斯科-米格尔·马克斯领导的一个团队，根据对铍-14核裂解的观察，假设存在稳定的4个中子簇，即四中子。这尤其有趣，因为目前的理论表明这些簇不应该稳定。

二中子是另一个假设粒子。

中子星和中子星

在极高的压力和温度下，核子和电子被认为会坍缩成大量的中子物质，称为中子星。据推测，这种情况发生在中子星中。

探测

通过寻找电离轨迹来探测带电粒子（例如在云室中）的常见方法，不适用于直接探测中子。弹性散射原子核的中子可以产生可探测的电离轨迹，但实验并不容易进行；更常用的中子探测方法是让它们与原子核相互作用。因此，常用的中子探测方法可以根据其所依赖的核过程进行分类，主要是中子俘获或弹性散射。格伦·F·诺尔（John Wiley & Sons，1979）的《辐射探测与测量》第14章对中子探测进行了很好的讨论。

通过中子俘获探测中子

一种常用的中子探测方法是将此类反应释放的能量转换为电信号。某些核素具有中子亏损，因此具有很高的中子吸收概率。在中子俘获后，复合核会发射更容易探测的辐射，例如α粒子，然后被探测到。³He、⁶Li、¹⁰B、²³³U、²³⁵U、²³⁷Np和²³⁹Pu适合于此目的。这些核素很少在自然界中发现，但可以通过同位素富集等过程积累。

中子俘获过程的截面在高能时远低于低能时。因此，通过中子俘获探测中子需要预先进行中子减速。为此，使用所谓的慢化剂，通常是一块厚厚的聚乙烯板。根据慢化和俘获方法进行的中子探测无法测量中子能量、精确到达时间或入射方向，因为这些信息在慢化过程中丢失了。

通过弹性散射探测中子

中子可以弹性散射原子核，导致被击原子核反冲。从运动学上来说，中子可以将更多的能量传递给氢或氦等轻原子核，而不是传递给重原子核。依赖弹性散射的探测器被称为快中子探测器。反冲原子核可以通过碰撞电离和激发其他原子。以这种方式产生的电荷和/或闪烁光可以被收集以产生探测信号。快中子探测中的一大挑战是区分这些信号和由同一探测器中的伽马辐射产生的错误信号。

快中子探测器具有不需要慢化剂的优点，因此能够测量中子的能量、到达时间，在某些情况下还可以测量入射方向。

用途

中子在许多核反应中起着重要作用。例如，中子俘获通常会导致中子活化，从而诱发放射性。特别是，中子及其行为的知识在核反应堆和核武器的研制中起着重要作用。铀-235和钚-239等元素的裂变是由它们吸收中子引起的。

“冷”、“热”和“热”中子辐射通常用于中子散射设施，其中辐射的使用方式类似于使用X射线分析凝聚态物质。中子在原子对比度方面是对后者的补充，因为它们具有不同的散射截面；对磁性的敏感性；非弹性中子谱学中的能量范围；以及对物质的深层渗透。

基于空心玻璃毛细管中全内反射或凹陷铝板反射的“中子透镜”的开发推动了中子显微镜和中子/伽马射线层析成像的持续研究。

中子的一项主要用途是激发材料中元素的延迟和瞬发伽马射线。这构成了中子活化分析（NAA）和瞬发伽马中子活化分析（PGNAA）的基础。NAA最常用于分析核反应堆中少量材料样品，而PGNAA最常用于分析钻孔周围的地下岩石和传送带上的工业散装材料。

中子发射器的另一种用途是探测轻原子核，特别是水分子中的氢。当快中子与轻原子核碰撞时，它会损失大部分能量。通过测量慢中子在从氢核反射后返回探针的速率，中子探针可以确定土壤中的含水量。

来源

由于自由中子是不稳定的，它们只能从核裂变、核反应和高能反应（例如宇宙射线簇射或加速器碰撞）中获得。自由中子束通过中子传输从中子源获得。要获得高强度的中子源，研究人员必须前往专门的设施，例如英国的ISIS设施，该设施目前是世界上最强的脉冲中子和μ子源。

中子缺乏总电荷使其难以控制或加速。带电粒子可以通过电场或磁场加速、减速或偏转。这些方法对中子的影响很小，除了非均匀磁场对中子磁矩造成的小影响之外。中子可以通过以下方法控制，包括中子慢化、反射和速度选择。

防护

接触自由中子可能会有危害，因为中子与体内分子的相互作用会导致分子和原子的破坏，还会导致产生其他形式辐射（例如质子）的反应。辐射防护的常规预防措施适用：避免接触，尽可能远离源头，并将接触时间缩短至最短。但是，必须特别注意如何防止中子接触。对于其他类型的辐射，例如α粒子、β粒子或伽马射线，原子序数高、密度高的材料可以提供良好的屏蔽；通常使用铅。然而，这种方法对中子不起作用，因为中子的吸收不会随着原子序数的增加而直接增加，就像α、β和γ辐射一样。相反，需要考虑中子与物质的特定相互作用（见上文的探测部分）。例如，富含氢的材料通常用于屏蔽中子，因为普通氢既能散射中子又能减速中子。这通常意味着简单的混凝土块甚至石蜡填充的塑料块比密度更高的材料提供更好的中子防护。在减速后，中子可以用具有高慢中子亲和力的同位素吸收，而不会产生二次俘获辐射，例如锂-6。

富氢普通水会影响核裂变反应堆中的中子吸收：通常，中子会被普通水强烈吸收，因此需要用可裂变同位素来富集燃料。重水中的氘对中子的吸收亲和力远低于氕（普通轻氢）。因此，在 CANDU 型反应堆中使用氘来减缓（调节）中子的速度，以提高与中子捕获相比，核裂变发生的概率。

生产

各种核素通过以中子发射为衰变模式变得更加稳定；这被称为中子发射，在自发裂变期间很常见。

宇宙辐射与地球大气层的相互作用会持续产生中子，这些中子可以在地表检测到。火星表面产生的中子辐射甚至更强，因为火星大气层足够厚以从宇宙射线散裂产生中子，但不足以提供对所产生中子的有效保护。这些中子不仅会产生来自直接向下中子辐射的火星表面中子辐射危害，还会产生来自火星表面反射中子的重大危害，这些中子会从地板向上反射到火星飞船或栖息地中。

核裂变反应堆自然会产生自由中子；它们的作用是维持产生能量的链式反应。强烈中子辐射也可以通过中子活化过程（一种中子捕获）来产生各种放射性同位素。

实验性核聚变反应堆会产生自由中子作为废物。然而，正是这些中子拥有大部分能量，并且将该能量转化为有用形式已被证明是一项艰巨的工程挑战。产生中子的聚变反应堆可能会产生大约两倍于裂变反应堆的放射性废物，但这些废物是由中子活化的较轻同位素组成，这些同位素的衰变周期相对较短（50-100 年），而裂变废物的典型半衰期为 10,000 年，主要是由于长寿命的 α 衰变超铀系锕系元素。

中子温度

热中子

热中子是一种自由中子，它服从玻尔兹曼分布，在室温下 kT = 0.0253 eV（4.0×10^-21 J）。这使得其特征速度（不是平均速度或中位数）为 2.2 km/s。名称“热”来自其能量，该能量与它们穿过的室温气体或材料的能量相同。（参见动力学理论以了解分子能量和速度）。在与原子核发生多次碰撞后（通常在 10-20 次范围内），中子会达到该能量水平，前提是它们没有被吸收。

在许多物质中，热中子的有效截面比快中子大得多，因此它们更容易被它们碰撞到的任何原子核吸收，从而产生更重的 - 并且通常不稳定的 - 化学元素的同位素。

大多数裂变反应堆使用中子减速剂来减缓或热化由核裂变发射的中子，以便更容易捕获它们，从而引起进一步裂变。其他反应堆（称为快增殖反应堆）直接使用裂变能量中子。

冷中子

这些中子是在非常冷的物质（如液态氘）中达到平衡的热中子。这些是在中子散射研究设施中产生的。

超冷中子

超冷中子是通过在几开尔文的温度下，在固态氘或超流氦等物质中非弹性散射冷中子来产生的。另一种生产方法是机械减速冷中子。

裂变能量中子

快中子是一种自由中子，其动能水平接近 2 MeV（20 TJ/kg），因此速度为 28,000 km/s。它们被称为裂变能量或快中子，以区别于能量较低的热中子和在宇宙射线簇射或加速器中产生的高能中子。快中子是由核裂变等核过程产生的。

快中子可以通过称为减速的过程变为热中子。这使用中子减速剂来完成。在反应堆中，通常使用重水、轻水或石墨来减速中子。

聚变中子

聚变反应速率随温度迅速增加，直到达到最大值，然后逐渐下降。DT 速率在较低的温度下（约 70 keV，或 8 亿开尔文）达到峰值，并且比其他通常被认为用于聚变能的反应更高。

D-T（氘-氚）聚变是一种产生能量最高的中子的聚变反应，其动能为 14.1 MeV，速度为光速的 17%。D-T 聚变也是最容易点燃的聚变反应，即使氘和氚原子核的动能仅为将要产生的 14.1 MeV 的千分之一，也能达到接近峰值的速率。

14.1 MeV 中子的能量大约是裂变中子的 10 倍，并且非常有效地裂变甚至是非裂变的重核，而这些高能裂变平均产生的中子比低能中子裂变产生的中子更多。14.1 MeV 中子还可以通过将中子从原子核中击出而产生中子。另一方面，这些非常高能的中子不太可能被简单地捕获而不会引起裂变或散裂。出于这些原因，核武器设计广泛利用 D-T 聚变 14.1 MeV 中子来引起更多裂变。

其他聚变反应产生的中子能量要低得多。D-D 聚变一半时间产生 2.45 MeV 中子和氦-3，另一半时间产生氚和质子，但不会产生中子。D-³He 聚变不会产生中子。

中等能量中子

LWR（热能谱反应堆）中的嬗变流。

裂变能量中子在减速但尚未达到热能时被称为超热中子。

捕获反应和裂变反应的截面在超热能范围内通常在特定能量处具有多个共振峰。这些在快中子反应堆中意义不大，因为大多数中子在减速到该范围之前就被吸收了，或者在良好减速的热反应堆中，超热中子主要与减速剂原子核发生相互作用，而不是与裂变或可育的锕系元素核素发生相互作用。然而，在部分减速的反应堆中，超热中子与重金属原子核的相互作用更多，更容易发生反应性的瞬变变化，这可能会使反应堆控制更加困难。

捕获反应与裂变反应的比率在大多数核燃料（如钚-239）中也更差（更多捕获而没有裂变），这使得使用这些燃料的超热能谱反应堆不太理想，因为捕获不仅浪费了被捕获的一个中子，而且通常还会产生用热中子或超热中子不能裂变的核素，尽管它仍然可以用快中子裂变。例外是钍循环中的铀-233，它在所有中子能量下都具有良好的捕获-裂变比率。

高能中子

这些中子的能量比裂变能量中子高，它们是由粒子加速器作为次级粒子产生的，或者是由宇宙射线在空气中产生的。它们的能量可以高达每中子数十焦耳。